أنا متأكد من أن الكثيرين منكم قد سمعوا أو قرأوا عن آخرها المثابرة على الهبوط على المريخ، وسرعان ما ينتظر الكوكب الأحمر بالفعل الأمل العربي و Tianwen-1 الصيني. أتساءل كيف تنقل كل هذه المجسات بيانات أبحاثهم إلى الأرض؟ سيتم مناقشة الاتصالات الفضائية اليوم.
لطالما كانت الرحلات إلى الكواكب الأخرى حلما للبشرية. تم تصوير الكثير من الأفلام الروائية والأفلام الوثائقية حول هذا الموضوع ، والتي تخبر بالتفصيل تقريبًا كيف تتم عملية الرحلة نفسها ، وكيف يشعر أفراد الطاقم أو سيشعرون به ، وما الذي يجب القيام به في مثل هذه البيئة.
في الآونة الأخيرة ، شاهد العالم بأسره بسعادة هبطت المركبة الجوالة المثابرة على سطح الكوكب الأحمر والتقطت الصور الأولى بعد الهبوط. لدينا بالفعل الصور الأولى للمركبة الجوالة ، والتي سأذكرك بها ، هبطت على سطح المريخ في 18 فبراير 2021 ، بالإضافة إلى الصورة الأولى للجهاز نفسه.
هذه صور فنية تم التقاطها فور الهبوط ، وصور للعجلات ، بالإضافة إلى صورة للعربة الجوالة نفسها أثناء الهبوط ، والتي التقطتها الكاميرات المثبتة على وحدة الصاروخ.
لكنني دائمًا ما كنت أفكر في نفسي ، كيف تمكنوا من الاتصال بالأرض بهذه السرعة ونقل اللقطات؟ تساءلت هل هذا صحيح أم خيال علمي. سأحاول اليوم مشاركة أفكاري حول هذا الموضوع.
اقرأ أيضا: ماذا ستفعل المثابرة والإبداع على المريخ؟
كم يبعد المريخ ، وماذا يعني ذلك؟
اسمحوا لي أن أذكركم بأن المريخ ، حسب الموسم ، يبعد ما يقرب من 55 إلى 401 مليون كيلومتر عن الأرض. هنا كل شيء يعتمد على مصادفة دوران المدارات ، بما في ذلك حول الشمس. ونظرًا لأن أسرع أشكال الاتصال هي الموجات الكهرومغناطيسية ، فإن الوقت الذي يستغرقه إرسال المعلومات إلى الكوكب الأحمر سيتم تحديده من خلال سرعة الضوء. بمعنى ، إذا أردنا إرسال أمر إلى مثل هذه العربة الجوالة أو المسبار ، أو تلقي البيانات ، فسيتعين علينا الانتظار قليلاً.
لا يمكن للآلات أن تؤثر على تأخيرات الإشارة بنفس الطريقة التي يؤثر بها البشر ، لذا يمكن أن يصل التأخير إلى 60 مللي ثانية. وخلال هذا الوقت ، ستقطع إشارة الراديو حوالي 18 كيلومتر. في حالة المركبات الفضائية ، فإن الجانب السلبي لهذه الظاهرة هو استحالة السيطرة عليها في الوقت الحقيقي. الشيء الوحيد المتبقي هو الانتقال إلى العملية المستقلة ، وهذا ينطبق على المثابرة نفسها وربما أكثر على مروحية Ingenuity ، التي ينبغي أن تبدأ مهمتها التي تستغرق 000 يومًا في غضون العشرات من الأيام القادمة. أي أننا نتلقى إشارة من سطح المريخ مع تأخير كبير ، لكن الأجهزة الحديثة قللت من ذلك تقريبًا. نعم ، لقد حرمنا من فرصة التحكم في الأجهزة من الأرض ، لكنه أعطى قوة دفع لتطوير أتمتة أكبر لمثل هذه الأجهزة.
اقرأ أيضا: أهم 10 حقائق عن الثقوب السوداء الضخمة المكتشفة في عام 2020
كيف يتم الاتصال المباشر بين الأرض والبعثات العاملة على المريخ
أنا متأكد من أن هذا السؤال يهم كل من يتابع مهمات مماثلة تقريبًا. لذلك ، تم إنشاء شبكة من التلسكوبات الراديوية تسمى شبكة الفضاء العميق (DSN) ، والتي تعد جزءًا من هيكل أكبر يسمى SCaN (اتصالات الفضاء والملاحة).
يربط هذا المركز جميع أجهزة الإرسال وأجهزة الاستقبال على الأرض المستخدمة للتواصل مع المركبات الفضائية ورواد الفضاء في الفضاء. يتم التحكم في DSN بواسطة مختبر الدفع النفاث التابع لناسا.
تقع التلسكوبات الراديوية ، التي يصل قطر أكبرها إلى 70 مترًا ، بالقرب من مدريد في إسبانيا ، وكانبيرا في أستراليا ، وجولدستون في صحراء موهافي في الولايات المتحدة. هذا الترتيب في نقاط مختلفة على سطح الأرض يقلل من مخاطر انقطاع الاتصالات ويجعل من الممكن زيادة سرعة استقبال الإشارات وإرسالها.
من المثير للاهتمام أن الصين ، لكي تصبح مستقلة عن الشبكات الأخرى ، قامت ببناء تلسكوب لاسلكي خاص بها ، يبلغ حجمه أيضًا حوالي 70 مترًا ، والذي يتصل به مع Tianwen-1. من بين صور أخرى ، تم التقاط الصور الأولى للكوكب من هذا المدار.
اقرأ أيضا: ما الذي يمكن أن يمنعنا من استعمار المريخ؟
هناك فرق كبير بين الخرج وقوة الإشارة المستقبلة
الآن دعنا ننتقل إلى القدرات التقنية لأجهزة الإرسال هذه. هناك أيضًا الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام هنا. لذلك نحن نعلم أن أجهزة الإرسال المثبتة على هذه الهوائيات والموجهة للأجسام الفضائية لها طاقة من 20 كيلوواط في النطاق X (ترددات من 8 إلى حوالي 12 جيجا هرتز) إلى 400 كيلو واط (ولكن يجب أن نتذكر أن استخدام الطاقة يزيد عن 100 يتطلب kW تعديلات اعتمادًا على تكوين الهواء وإدارة حركة المرور) في النطاق S (ترددات من 2 إلى 4 جيجاهرتز ، أي مماثلة لشبكات Wi-Fi المنزلية أو بعض شبكات الهاتف المحمول). وبالمقارنة ، فإن قوة أقوى أجهزة إرسال لمحطة 5G الأساسية هي 120 واط ، لكنها عادة ما تكون أقل بكثير وتتشكل الحزمة بشكل مختلف عن حالة الإرسال إلى المركبات الفضائية.
عند استقبال إشارة ، تستطيع أكبر هوائيات شبكة DSN التقاط شعاع بقوة 10-18 وات. مثل هذه القوة ، على سبيل المثال ، لديها إشارة من فوييجر 2. الإشارات القادمة من المريخ هي أيضًا بهذا الترتيب تقريبًا ، نظرًا للمسافة وموارد الطاقة المحدودة للمسبارات.
تحتوي مركبة استكشاف المريخ (MRO) على اثنين من معززات الإشارة بقدرة 100 واط لكل نطاق X ، مع دعم واحد في حالة فشل أحدهما. كما أن لديها جهاز إرسال تجريبي يعمل في نطاق Ka (ترددات في نطاق 26-40 جيجاهرتز) يرسل عند 35 واط ، ولكن لأغراض الاختبار فقط.
صفحة DSN يظهر بوضوح لمن أو لمن يتم إرسال البيانات أو استلامها. من بين أشياء أخرى ، بعد النقر على الاختصار الذي يشير إلى المهمة ، يمكننا رؤية بيانات إضافية. يطلق على روفر المثابرة اسم M20 باختصار ، وتأتي البيانات بشكل أساسي من MRO.
اقرأ أيضا: الفضاء على جهاز الكمبيوتر الخاص بك: أفضل 5 برامج لعلم الفلك
كلما تواجدت في الفضاء ، كانت الإشارة أبطأ
تتواصل DSN أيضًا مع المجسات الأخرى ، لكنك تعلم أنه كلما ابتعدت عن الأرض ، كلما كان معدل البيانات أبطأ. يعتمد الكثير أيضًا على قدرة المرسل على مركبة فضائية معينة. فوييجر 1 ، الأبعد عن الأرض ، تنقل البيانات بسرعة 160 بت في الثانية ، أي أسرع قليلاً من أجهزة المودم الأولى في الخمسينيات. لفتح موقع على شبكة الإنترنت root-nation.com مع هذا النص من هذه المسافة ، سيتعين عليك الانتظار أكثر من يوم.
في المقابل ، تكون الإشارة التي تصل إلى المسبار من الأرض أقوى بكثير ، لكن هوائي فوييجر 1 يبلغ قطره 3,7 مترًا فقط ، مما يجعل استقبال الإشارة أضعف بكثير مما لو كان هوائيًا بطول 70 مترًا.
اقرأ أيضا: أظهر باركر سولار بروب الجانب الليلي من كوكب الزهرة
ما مقدار البيانات التي ينقلها مسبار المريخ أو العربة الجوالة خلال مهمته؟
تستغرق مهمات المريخ عادةً عامين أساسيين بالإضافة إلى مدة المهمة الممتدة ، ويمكن أن تستمر لأكثر من عقد. تتطلب المجسات والأدوات التي تقوم بالملاحظات المرئية أكبر قدر من النطاق الترددي لأن الصور الفوتوغرافية لا تقل عن ميغا بايت من البيانات. يمكن أن تحتوي الإشارة على المزيد من البيانات الرقمية التي تميز القياسات الأخرى ، ومعلمات الغلاف الجوي ، والمجال المغناطيسي ، ودرجة الحرارة ، وما إلى ذلك. لذلك ، فإن الوقت مناسب لصالح المسابير الفضائية. إنهم لا يبثون بسرعة كبيرة ، لكنهم يفعلون ذلك بإصرار لسنوات.
مركبة استكشاف المريخ (MRO) ، التي كانت تصور المريخ منذ عام 2005 ، قد التقطت بالفعل أكثر من 50 دورة حول الكوكب وأكثر من 000 صورة تغطي 90٪ من سطح الكوكب (اعتبارًا من 000). بالإضافة إلى ذلك ، فإنه ينقل البث والصور من مركبات المريخ الجوالة. على سبيل المثال ، التقطت Curiosity بالفعل ما يقرب من مليون صورة خام (لم تتحول جميعها إلى صور نعجب بها). تقترب كمية البيانات التي تم جمعها على الأرض من MRO من 99 بيتابايت (البيانات المقدرة اعتبارًا من أوائل عام 2017).
ومع ذلك ، فإن MRO هي مهمة موجهة للصور والبيانات. بالمقارنة ، أرسل مسبار كاسيني ، الذي كان يدرس زحل وأقماره لعدة سنوات ، 635 جيجا بايت فقط من البيانات إلى الأرض ، والتي تضمنت 453 صورة. بدورها ، العربة الجوالة Opportunity ، الذي سافر حول المريخ لمدة 15 عامًا ، أرسل أكثر من 2018 صورة إلى الأرض بحلول عام 225 (بعد فترة وجيزة فقدنا الاتصال به إلى الأبد).
كمية البيانات المرسلة إلى المريخ أصغر بكثير. نظرًا لأن هذه الأوامر هي في الأساس أوامر وتأكيدات لتنفيذها ، أو إصلاحات برمجية (وهي الأهم) ، فإنها لا تتطلب حتى أجهزة إرسال قوية جدًا لإرسالها.
اقرأ أيضا: أصبح معروفًا عندما ينفد الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي للأرض
كيف "يتحدث" المسبار أو العربة الجوالة إلى الأرض؟
نحن نعلم بالفعل كيف يتم تلقي البيانات من المريخ على الأرض ، ولكن كيف يتم بدء الاتصال من الأجهزة الموجودة على الكوكب الأحمر؟ تتمتع المجسات الموجودة في المدار بظروف أكثر ملاءمة للتواصل مع الأرض وإرسال كميات كبيرة من البيانات. لمثل هذا الاتصال ، يتم استخدام النطاق X الأكثر شيوعًا ، حيث تستخدم عربة المثابرة ، مثل Curiosity ، جهازي إرسال (طاقة منخفضة وعالية) يعملان على هذا النطاق للاتصال.
بمساعدتهم ، يمكن للعربة الجوالة أن "تتصل" بشكل مستقل بالمنزل ، لكن معدل نقل البيانات من جهاز الإرسال القوي يبلغ 800 بت في الثانية كحد أقصى عند استقبال الإشارة بواسطة هوائي 70 مترًا ، أو 160 بت في الثانية عندما يكون 34 مترًا هوائي. لا يعد جهاز الإرسال منخفض الطاقة سوى الملاذ الأخير لأنه يحتوي فقط على قناة 10 بت للإرسال وقناة 30 بت لاستقبال البيانات.
لذلك ، عادةً ما تتصل مركبات Curiosity و Perserance الجوالة اليوم أولاً في نطاق UHF بـ "المحطة الأساسية" في مدار المريخ - وهي مسابر بها هوائيات إرسال أكبر بكثير. يتم استخدام MRO و MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN) و Mars Odyssey و European Mars Express و TGO (Trace Gas Orbiter) لهذا الغرض. إنهم يشكلون شبكة تسمى MRN (شبكة ترحيل المريخ).
قبل إنشاء شبكة الترحيل هذه ، كان على المركبات الفضائية مثل Viking 1 و 2 الاعتماد على المدارات المصاحبة. من أجل الاتصال المباشر بالأرض ، تم استخدام أجهزة إرسال 20 W و S-band ، وتم إجراء الاتصال على تردد 381 ميجاهرتز (نطاق UHF) ، على غرار روفر اليوم.
اقرأ أيضا: Crew Dragon ليس هو الوحيد: أي السفن ستذهب إلى الفضاء في السنوات القادمة
ما هي السرعة القصوى للاتصال بين المريخ والأرض؟
هناك العديد من الفروق الدقيقة هنا. لذا ، يرسل Perserance أولاً الصور والبيانات الأخرى إلى المجسات التي تدور في المدار بسرعة 400 ميجاهرتز باستخدام هوائي موجود في الجزء الخلفي من العربة الجوالة ، بجوار شاشة مولد النظائر المشعة الكهروحرارية. عرض النطاق الترددي لخط الاتصال من السطح إلى مدار الكوكب الأحمر يصل إلى 2 Mbit / s. تعتمد كفاءة الاتصال بمدار المريخ على بعده عن الأرض ، وهذا كما تعلم يتفاوت بشكل كبير.
تختلف سرعة الاتصال القصوى من 500 كيلو بت في الثانية عندما يكون المريخ أبعد ما يكون عن الأرض إلى أكثر من 3 ميجابت في الثانية عندما يكون المريخ هو الأقرب لكوكبنا. عادة ما يتم استخدام 34 مترًا من هوائيات DSN ، لمدة 8 ساعات تقريبًا في اليوم. ومع ذلك ، فإن هذا لا يعني أن الإرسال يكون دائمًا بأقصى سرعة يمكن رؤيتها من بيانات هوائيات DSN.
هناك أيضًا فرصة لإنشاء اتصال مباشر بين الأرض والأجهزة الموجودة على سطح المريخ ، متجاوزًا المجسات الموجودة في مدار الكوكب. ولكن لا يمكن إجراء مثل هذه التوصيلات إلا في حالات الطوارئ أو لإرسال أوامر تحكم بسيطة فقط. ترجع هذه القيود إلى حقيقة أن عرض النطاق الترددي للإشارة إلى المريخ من مدار الكوكب أكبر 3-4 مرات من الإرسال المباشر من الأرض إلى سطح المريخ. تستخدم الهوائيات التي تعمل في النطاق X لمثل هذا الاتصال ، سواء على الأرض أو على العربة الجوالة.
ولكن هناك أيضًا انقطاعات في الاتصال لا يمكننا التأثير عليها اليوم. سببهم الشمس. يمكن للشمس نفسها أن تتداخل مع نقل البيانات من المجسات التي تمر بالقرب منها ، لأن الكوكب الأحمر يختبئ عنا من وقت لآخر. وبما أننا لا نملك حتى الآن شبكة اتصالات متطورة في النظام الشمسي ، يستغرق المريخ حوالي 10 أيام لتجاوز القرص الشمسي كل عامين. خلال هذه الفترة ، كان التواصل مع المركبات الجوالة والمجسات غائبًا تمامًا.
في بعض الأحيان لا يوجد مخرج آخر ، عليك أن تعمل بجد وتنتظر البيانات لأيام أو حتى شهور
لحسن الحظ ، في حالة بعثات المريخ ، لم يواجه العلماء مثل هذه المشاكل حتى الآن. ولكن إذا كان أي منكم يتذكر مسبار جاليليو في التسعينيات ، فأنت تعلم أنه كانت هناك مشاكل كبيرة مع التحكم الأرضي في ذلك الوقت. تم نشر هوائي إرسال المسبار جزئيًا فقط ، لذلك لم يتمكن من تحقيق عرض النطاق الترددي المقصود البالغ 1990 كيلوبت في الثانية. كان على العلماء تطوير طرق جديدة لضغط البيانات حتى لا يفقدوا الاتصال بالمسبار. كانوا قادرين على زيادة أداء الهوائي الثاني منخفض الكسب من 134-8 بت في الثانية (نعم ، بت في الثانية) إلى 16 بت في الثانية ثم إلى حوالي 160 كيلوبت / ثانية. كانت لا تزال قليلة جدًا ، لكن اتضح أنها كافية لإنقاذ المهمة.
من ناحية أخرى ، يجب أن تكون المركبة الفضائية البعيدة مجهزة بهوائيات إرسال قوية للغاية ومصادر طاقة لأن الإرسال يستغرق وقتًا طويلاً. من مسبار نيو هورايزونز ، الذي يمتلك هوائي الإرسال قوة 12 واط ، بعد تحليقه بالقرب من بلوتو ، انتظر العلماء لأشهر مجموعة كاملة من البيانات المرسلة.
هل يمكن حل هذه المشكلة؟ نعم ، هذا ممكن ، لكن لهذا نحتاج إلى بناء شبكات اتصال في جميع أنحاء النظام الشمسي ، لكن هذا يتطلب الكثير من الوقت ، وبالطبع دفعات مالية ضخمة.
ماذا يمكن أن نتوقع بعد ذلك؟
أنا متأكد من أن الكثير من المعلومات المثيرة للاهتمام تنتظرنا من على سطح المريخ وما وراءه. البشرية حريصة على الخروج من الأرض واستكشاف الكواكب البعيدة والأنظمة الشمسية الأخرى. ربما ، في غضون بضعة عقود ، ستجعل مقالتي هذه فقط تلاميذ المدارس على المريخ أو في مكان ما في Alpha Centauri يبتسمون. ربما ستطير البشرية بعد ذلك إلى كواكب أخرى بسهولة وبساطة كما نحن الآن من كييف إلى نيويورك. أنا متأكد من شيء واحد ، من المستحيل إيقاف رغبة البشرية في استكشاف الفضاء!
مثير للاهتمام أيضًا: